안녕하세요. 김지호 전문가입니다.
생물·생명
Q. 동물들은 인간 처럼 잠을 자는데 곤충들도
안녕하세요.네, 곤충들도 사람이나 동물처럼 잠을 자고, 어떤 형태로든 자극에 반응하며, 어떤 경우에는 고통에 유사한 반응을 보이기도 합니다. 곤충은 포유류처럼 눈꺼풀을 감고 자는 건 아니지만, 비활동 상태(resting state)로 들어가는 ‘곤충의 수면(sleep-like state)’이 과학적으로 관찰되어 왔습니다. 예를 들어, 초파리(fruit fly)는 일정 시간 동안 움직이지 않고, 반응성이 떨어지고, 수면 부족 시 회복 수면을 하는 등 포유류의 수면과 유사한 행동 특성을 보입니다. 이러한 수면은 곤충의 기억 형성, 에너지 보존, 생존에 중요한 역할을 합니다. 벌, 메뚜기, 바퀴벌레, 잠자리 등 다양한 곤충도 이러한 형태의 비활동 상태를 보이며 주기적인 수면 행동을 하는 것이 관찰되었습니다. ‘고통(pain)’은 단순한 자극에 대한 반사 반응과는 다르며, 의식적이고 정서적인 고통 경험을 의미합니다. 포유류는 신경계가 고도로 발달되어 있어 이 같은 고통을 분명히 느낍니다. 곤충의 경우에는 포유류처럼 복잡한 뇌와 척수가 없지만, 통각(nociception)이라고 불리는 유해한 자극에 대한 감지 및 회피 반응은 나타냅니다. 예를 들어, 초파리에게 강한 열을 가하면 특정 유전자와 신경회로가 반응하며, 향후 같은 자극을 피하려는 학습을 합니다. 이는 단순 반사라기보다는 기억을 동반한 반응으로, 일부 과학자들은 이를 ‘고통 유사 반응’으로 해석하기도 합니다. 다만, 곤충이 인간처럼 ‘고통을 느낀다’고 단정하기엔 과학적 증거가 부족합니다. 감정이나 의식의 유무는 아직까지 논쟁의 여지가 있으며, 현재까지는 “통증 자극을 인식하고 회피 행동을 한다”는 수준까지만 확인되었습니다. 따라서 곤충들도 사람이나 다른 동물들처럼 휴식(잠)을 취하고, 위험하거나 해로운 자극에 민감하게 반응합니다. 다만, 고통을 ‘의식적으로 느끼는가’에 대해서는 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 이는 곤충의 뇌 구조와 의식의 개념에 대한 과학의 지속적인 연구 주제입니다. 하지만 곤충도 생명체로서 자신을 보호하고 생존하려는 본능적 행동을 한다는 점은 분명합니다.
생물·생명
Q. 고생대시기엔 어떤 생물들이 지구환경에서 지배를 하고 있었고 그 배경이 무엇일까요?
안녕하세요.고생대(Paleozoic Era)는 약 5억 4천만 년 전부터 2억 5천만 년 전까지 약 2억 9천만 년간 지속된 지질시대로, 생명체의 다양성과 복잡성이 폭발적으로 증가한 시기입니다. 이 시기는 총 6개의 세(캄브리아기, 오르도비스기, 실루리아기, 데본기, 석탄기, 페름기)로 나뉘며, 각 세대마다 지구 환경과 지배적인 생물군이 변해왔습니다. 고생대의 지배 생물군과 배경은 다음과 같습니다. 1. 캄브리아기(Cambrian, 약 5억 4천만 년 전) 생물 지배자: 절지동물(삼엽충), 해양 무척추동물(완족동물, 자포동물 등) 배경: 이 시기에는 “캄브리아기 대폭발(Cambrian Explosion)”이라는 생물 다양성의 급격한 확산 현상이 일어났습니다. 대부분의 동물 문(phylum)이 이 시기에 출현했으며, 이는 진화 역사상 가장 혁신적인 시기로 간주됩니다. 해양이 생명의 중심지였고, 육지는 여전히 생명체가 거의 없는 불모지였습니다. 산소 농도의 증가, 생화학적 신경계와 외골격 발달 등이 원인으로 추정됩니다.2. 오르도비스기~실루리아기(Ordovician–Silurian), 생물 지배자: 완족동물, 극피동물, 삼엽충, 갑주어(턱 없는 초기 어류) 배경: 초기 어류가 등장하면서 척추동물의 기초가 마련되었습니다. 광범위한 해양 생태계가 확립되었고, 산호초 구조도 형성되었습니다. 오르도비스기 말에 첫 대규모 멸종이 일어나면서 일부 생물군이 몰락했지만, 실루리아기에는 식물과 동물의 육상 진출이 시작되었습니다. 3. 데본기(Devonian, 약 4억 년 전) — “어류의 시대” 생물 지배자: 턱 있는 어류(갑주어, 경골어류), 초기 양서류, 육상 식물 배경: 어류의 진화가 극적으로 발전한 시기로, 다양한 종류의 물고기들이 바다를 지배했습니다. 사지(四肢)를 가진 최초의 육상 척추동물(양서류)이 출현하며, 척추동물이 물 밖으로 진출하는 계기가 마련되었습니다. 육상에는 이끼류를 넘어 양치식물, 나무 형태의 고사리가 번성했습니다. 이는 후에 숲 생태계의 기초가 되며, 산소 농도 증가에 기여했습니다. 4. 석탄기(Carboniferous) — “양서류와 곤충의 시대” 생물 지배자: 거대 양서류, 곤충, 양치식물(거대한 숲) 배경: 육상에서는 초대형 곤충(예: 날개 길이 70cm의 거대 잠자리)과 양서류가 번성했습니다. 이 시기는 지구 역사상 산소 농도가 가장 높은 시기 중 하나로, 이는 곤충의 대형화를 가능하게 했습니다. 고사리, 석송류, 마름모양 식물들이 형성한 대규모 숲이 오늘날 석탄 자원의 근원이 되었습니다. 5. 페름기(Permian, 약 2억 9천만 년 전–2억 5천만 년 전) 생물 지배자: 파충류(단궁류 포함), 곤충, 일부 포유류형 파충류 배경: 파충류가 본격적으로 번성하며 건조한 내륙 지역에서도 생존할 수 있는 생리적 특성을 갖추게 되었습니다. 특히 ‘포유류형 파충류(단궁류)’는 포유류의 직접 조상으로 진화 방향이 갈리기 시작한 시기입니다. 이 시기 말에는 지구 역사상 가장 큰 대멸종(페름기-트라이아스기 대멸종)이 일어나 전체 생물 종의 약 90% 이상이 사라졌습니다. 이로 인해 고생대는 막을 내리고 중생대가 열렸습니다. 정리해보자면 고생대는 다양한 시기를 거치며 해양에서 육상으로의 생명 진출, 무척추동물에서 척추동물로의 진화, 양서류에서 파충류로의 지배권 이동이라는 커다란 전환점을 이루었습니다. 지배 생물의 변화는 주로 기후, 산소 농도, 생태적 틈새, 생리적 적응 능력 등 복합적인 환경 요인에 의해 결정되었습니다. 중생대의 공룡, 신생대의 포유류처럼, 고생대에서는 시대마다 다른 생물군이 생태계를 지배했으며, 이는 생명의 진화사가 단계적으로 이루어진다는 점을 잘 보여줍니다.
생물·생명
Q. 자연적인 성별 전환에 관하여 질문합니다.
안녕하세요.자연계에서의 성별 전환, 즉 성의 가역성(sex reversal)은 매우 흥미로운 생물학적 현상으로, 특히 어류와 양서류에서 흔히 관찰됩니다. 대표적으로 잘 알려진 예가 바로 흰동가리(Clownfish)입니다. 흰동가리는 모두 수컷으로 태어나며, 집단 내에서 가장 큰 개체가 암컷으로 전환되는 프로타드리시스(protandry) 전략을 취합니다. 반대로, 어떤 종은 암컷에서 수컷으로 전환되는 프로토고니(protogyny) 방식도 보입니다. 이런 성전환은 사회적, 환경적 자극, 예를 들면 우두머리 개체의 사망, 개체 수 조절 필요 등에 의해 촉발됩니다. 이러한 유연성은 주로 어류나 양서류, 일부 파충류에서 가능한데, 이들의 생식기관과 내분비계는 포유류에 비해 훨씬 더 가소성이 높고, 환경 요인에 의해 쉽게 조절될 수 있습니다. 또한 이들 동물은 보통 외부 수정을 하기 때문에 생식 전략에서도 유연성을 유지하는 것이 진화적으로 유리했습니다. 그러나 포유류의 경우는 상황이 다릅니다. 포유류는 생식기가 태아 시절부터 유전적 성(XY 또는 XX)에 따라 거의 결정되며, 내부 생식기 구조와 호르몬 시스템이 복잡하고 비교적 고정적입니다. 특히 Y 염색체의 SRY 유전자가 고환의 발생을 유도하고, 그에 따라 생성되는 안드로겐(테스토스테론 등)이 남성의 2차 성징과 생식기관 발달을 책임집니다. 일단 이런 과정이 지나면, 자연적으로 성별이 바뀌는 경우는 매우 드뭅니다. 다만, 일부 유전적 이상이나 내분비 질환에서는 성별이 모호해지거나 출생 후 성적 특징이 변화하는 경우가 있습니다. 예를 들면 선천성 부신 과형성(CAH, Congenital Adrenal Hyperplasia): XX 염색체를 가진 여성 태아가 태아기부터 과도한 안드로겐에 노출되면 외부 성기가 남성처럼 발달할 수 있습니다. 안드로겐 무감응 증후군(AIS, Androgen Insensitivity Syndrome): XY 염색체를 가진 남성이라도 안드로겐 수용체의 기능 이상으로 인해 여성의 외형으로 태어날 수 있습니다. 5α-환원효소 결핍증(5α-reductase deficiency): 이 효소가 부족하면 XY 유전형을 가진 태아가 출생 시 여성의 외형을 가지며, 사춘기 이후 남성화되는 경우도 있습니다. 도미니카공화국 등 일부 지역에서 보고된 바 있습니다. 이러한 사례들은 자연적 성전환과 유사해 보일 수 있으나, 기본적인 유전적 성은 변하지 않습니다. 즉, 생식세포(정자나 난자)의 유형은 바뀌지 않으며, 완전한 의미의 성전환은 아닙니다. 그렇다면 인간에서 ‘자연적인 성전환’이 가능한가?에 대해서, 현대 의학에서는 성전환(성확정 수술, 호르몬 요법)을 통해 성적 외형과 사회적 성별을 바꿀 수 있지만, 이는 자연적인 과정이 아닌 인위적 개입입니다. 또한 유전적 성이나 생식기능(특히 생식세포의 생산)은 완전히 전환되지 않습니다. 결론적으로, 어류와 일부 하등 동물에서는 자연적 성전환이 진화적 전략으로 존재합니다. 포유류에서는 성별이 비교적 고정되어 있으며, 자연적으로 전환되는 경우는 거의 없습니다. 인간의 경우에도 자연적인 의미의 성별 전환은 이론적으로 매우 어려우며, 일부 내분비 이상이 유사한 현상을 만들 수는 있지만, 완전한 성의 전환은 불가능에 가깝습니다. 이러한 차이는 생식 방식, 유전자 조절의 경직성, 생식기관 발달 시기의 차이에서 비롯됩니다. 자연은 매우 다양하고 유연하지만, 그 유연성은 종마다 매우 다르게 설계되어 있는 셈입니다.
생물·생명
Q. 달리기는 새벽, 아침, 오후, 저녁 언제가 건강에 좋나요?
안녕하세요.달리기 시간과 건강, 그리고 식물의 광합성과 호흡에 관한 질문은 매우 흥미롭고, 생물학적 메커니즘에 대한 깊은 통찰을 담고 있습니다. 이를 과학적으로 풀어보면 다음과 같습니다. 식물은 낮 동안 햇빛을 이용해 광합성을 합니다. 이 과정에서 이산화탄소(CO₂)를 흡수하고 산소(O₂)를 방출합니다. 반면 밤이 되면 햇빛이 없기 때문에 광합성이 중단되고, 식물은 오직 호흡만 하게 됩니다. 이 호흡 과정에서는 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출하게 됩니다. 즉, 식물도 낮에는 "산소 생산자", 밤에는 "산소 소비자" 역할을 합니다. 이 사실만 놓고 보면, 사람이 산소를 많이 들이마실 수 있는 시간,즉 식물이 산소를 가장 활발하게 배출하는 시간대에 운동하는 것이 유리할 수 있겠다는 생각이 들 수 있습니다. 그러나 실제로는 우리가 숨쉬는 공기 속 산소의 농도는 식물의 활동으로 인해 단기적으로 크게 변하지 않습니다. 대기 중 산소 농도는 약 21% 수준으로 일정하게 유지되며, 이는 수많은 생물의 생명 활동을 동시에 지탱할 수 있도록 지구의 생태계가 조절되고 있기 때문입니다. 즉, 특정 시간대에 산소 농도가 식물 때문에 유의미하게 변동되어 운동의 효과나 건강에 영향을 줄 정도는 아닙니다. 다만, 실내나 밀폐된 공간에서 식물이 많지 않거나 환기가 되지 않는 경우, 혹은 울창한 숲속의 밀폐된 장소라면 아주 미세한 차이는 생길 수 있지만, 실외의 넓은 환경에서는 무시할 수준입니다. 오히려 달리기의 건강 효과를 결정짓는 요인은 산소의 농도보다는 기온, 자외선, 공기질, 신체의 생체 리듬 등입니다. 새벽은 기온이 낮고 공기 중 미세먼지가 지면에 가라앉아 있어 공기질이 상대적으로 안 좋을 수 있습니다. 하지만 조용하고 집중력이 좋아 심신 안정에는 도움이 됩니다. 아침은 체온이 아직 올라오지 않아 갑작스런 격렬한 운동은 무리가 될 수 있지만, 하루를 활기차게 시작하는 데 좋습니다. 오후는 체온이 상승하고 근육이 가장 유연하며 심폐기능도 활성화된 시간으로, 운동 효율이 가장 높은 시간대입니다. 저녁은 하루 피로가 누적된 상태일 수 있으나, 스트레스를 해소하고 수면의 질을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다. 단, 취침 직전 운동은 오히려 수면을 방해할 수 있으므로 피하는 것이 좋습니다. 결론적으로, 식물의 산소 배출 시간에 맞춰 달리기를 할 필요는 없습니다. 사람은 자신의 생활 리듬, 기후, 환경 조건을 고려하여, 자신에게 가장 잘 맞고 꾸준히 실천할 수 있는 시간대에 운동하는 것이 최선입니다. 정해진 ‘최고의 시간’이 있기보다는, “지속 가능한 습관”이 건강에 가장 좋다는 것이 과학적이고 의학적인 결론입니다. 그러니 마음 편하게, 뛰고 싶을 때 뛰시면 됩니다.
생물·생명
Q. 코로나19와 같은 바이러스 질병의 백신은 어떤 원리로 면역체계를 자극하고, 변이 바이러스에 어떻게 대응하나요?
안녕하세요.코로나19와 같은 바이러스 질병의 백신은 인체의 면역체계를 자극하여 병원체에 대한 기억 면역을 형성함으로써, 실제 감염 시 빠르고 효과적으로 대응할 수 있도록 설계된 생물학적 제제입니다. 이들 백신은 병원체 자체를 사용하거나, 병원체의 일부분(항원)을 유전자나 단백질 형태로 인체에 노출시켜 면역 반응을 유도합니다. 코로나19 백신은 주로 스파이크 단백질이라는 바이러스 표면의 돌기 구조에 면역 체계가 반응하도록 설계되어 있습니다. 이 스파이크 단백질은 바이러스가 인간 세포에 침투하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문에, 이를 표적으로 한 면역 반응은 감염을 막는 데 매우 효과적입니다. 백신이 체내에 투여되면, 면역세포(특히 항원제시세포)는 백신 성분을 인식하고, 그에 대한 항체를 생성하며, 동시에 세포성 면역(특히 T세포 반응)도 유도합니다. 이 과정을 통해 면역계는 바이러스를 기억하고, 향후 실제 감염 시 빠르게 대응할 수 있는 준비 상태를 갖추게 됩니다. 코로나19 바이러스는 RNA 바이러스이기 때문에 변이가 자주 발생하며, 이로 인해 새로운 변이 바이러스가 출현할 수 있습니다. 변이 바이러스는 스파이크 단백질의 구조가 기존 바이러스와 다를 수 있기 때문에, 기존 백신으로 유도된 항체가 변이 바이러스에 효과적으로 결합하지 못할 가능성이 존재합니다. 이러한 상황에 대응하기 위해, 백신 개발자들은 두 가지 주요 전략을 사용합니다. 첫째, 부스터 백신을 통해 면역 반응의 강도와 범위를 넓힙니다. 부스터는 기존 백신으로 유도된 면역 반응을 강화할 뿐 아니라, 면역계가 다양한 스파이크 구조를 인식하도록 유도하여 변이 바이러스에 대한 교차면역(cross-immunity)을 높입니다. 둘째, 변이 특이적 백신 혹은 다가 백신을 개발합니다. mRNA 백신 기술의 경우, 바이러스 유전정보를 빠르게 교체하여 변이 스파이크 단백질에 맞는 백신을 신속하게 제작할 수 있습니다. 최근에는 여러 변이株의 정보를 통합해 다양한 스파이크 항원을 포함하는 다가 백신(multivalent vaccine)도 개발되고 있어, 보다 넓은 변이에 대응할 수 있는 면역 반응을 유도할 수 있습니다. 결과적으로 코로나19 백신은 면역 체계를 미리 훈련시켜 감염에 대비하게 하며, 변이에 대해서는 부스터 전략과 백신의 신속한 개량을 통해 대응하는 방식으로 진화하고 있습니다. 이러한 백신 기술의 발전은 앞으로 등장할 새로운 바이러스에 대한 대응 능력을 키우는 데에도 중요한 역할을 하게 될 것입니다.